Flammensynthese kleinster Partikel: Modellierungsstrategien für die Partikelproduktion in turbulenten, reaktiven Strömungen

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Die Simulation der Partikelsynthese in turbulenten Flammen sollte vielfältige Prozesse wie Partikelnukleation, Wachstum, Chemie, Turbulenz und ihre Interaktionen umfassen. Oft werden jedoch viele der Wechselwirkungen vernachlässigt, und der vorliegende Antrag wird sich nun in erster Linie mit den Einflüssen der Turbulenz auf Keimbildung, Wachstum und Chemie befassen. Für industrienahe Anwendungen ist die derzeit wohl vielversprechendste Methode für eine detailgetreue numerische Simulation instationärer, turbulenter Strömungen die Large-Eddy-Simulation (LES oder Grobstrukturanalyse). Wechselwirkungen zwischen Turbulenz, Chemie und Partikel sind in einer LES Feinstrukturprozesse, die auf dem Rechengitter nicht aufgelöst werden und deshalb modelliert werden müssen. Die Feinstrukturprozesse sind zudem experimentell extrem schwer zu erfassen, und Modelle, die eine deterministische Implementierung der relevanten Erhaltungsgleichungen erfordern würde, sind weitestgehend unbekannt. Deshalb bieten sich stochastische Ansätze für die Lösung der Transportgleichung für die Teilchenzahl (population balance equation (PBE) oder generalized dynamic equation (GDE)) an, da hier die Interaktionen zwischen Teilchen und der Chemie in geschlossener Form vorliegen. Eine Implementierung mit Hilfe einer “stochastic fields” oder einer gewöhnlichen partikelbasierten PDF/Monte Carlo Methode ist jedoch extrem rechenaufwändig. Aus diesem Grunde ist eine LES auch noch nie für die Simulation einer Partikelflammensynthese benutzt worden. Anknüpfend an jüngste Fortschritte in der Verbrennungs-LES werden im Rahmen dieses grundlagenorientierten Projekts eine “sparse particle” Multiple Mapping Conditioning (MMC) Methode für die Partikelsynthese weiterentwickelt und eine quantitative Analyse der wechselwirkenden Prozesse Turbulenz, Partikelbildung, Partikelwachstum und Verbrennung angestrebt. LES-MMC verspricht im Vergleich zu LES-PDF/Monte Carlo Methoden eine potentielle Reduktion der Simulationszeiten um etwa zwei Größenordnungen, und die LES einer Partikelsynthese erscheint somit erstmals realisierbar. Zwei Konfigurationen sollen untersucht werden: Aufgrund unzureichender experimenteller Daten sollen die neuen Modelle mit Hilfe einer direkten numerischen Simulation (DNS) einfacher Scherströmungen validiert werden. In der zweiten Antragsphase werden Siliziumdioxid Partikel in einer Flammensynthese hergestellt, und die gewählte Konfiguration lässt einen starken Einfluss der Turbulenz und Temperaturschwankungen auf die Partikelmorphologie erwarten. Dies ermöglicht eine Validierung einer Modellierung, die auch Form und Morphologie der Partikel berücksichtigt.